Учитывая затянувшийся процесс прорыва первой позиции обороны противника, командующий войсками фронта для ускорения прорыва обороны приказал ввести в сражение танковые корпуса. Но ввод в сражение подвижных соединений не был обеспечен из-за плохо организованного инженерного обеспечения. Едва вступив в соприкосновение с противником, танковые корпуса сразу же попали на минные поля, проходы через которые саперы заблаговременно сделать не успели, а потому понесли, значительные потери. Один только 25-й танковый корпус лишился 27 танков (ЦАМО. Ф. 229, оп. 590, д. 14, л. 8; Оп. 604, д. 3, л. 8). Танкистам пришлось приступить к проделыванию проходов в минных полях противника собственными силами. Положение усложняла вражеская авиация, обрушившая на скопления советских танков удары с воздуха. К вечеру стрелковые войска, овладев первой позицией противника, завязали бои за его вторую позицию. За ночь проходы в минных полях противника были проделаны, и с рассветом 17 декабря танковые войска устремились вперед.
В центре полосы наступления Юго-Западного фронта 3-я гвардейская армия также предприняла попытку прорвать оборону противника, однако сломить сопротивление 62-й и 294-й немецких пехотных дивизий на направлении главного удара этой армии не удалось и прорыва не получилось.
Стремясь как можно скорее завершить прорыв, советские войска не прекращали боевых действий и ночью. Одновременно были осуществлены внутриармейские перегруппировки, приняты меры для подтягивания артиллерии.
Утром 17 декабря 6-я и 1-я гвардейская армии после короткой авиационной и артиллерийской подготовки возобновили наступление. В ходе второго дня наступления стрелковые дивизии широко применяли маневр с целью обхода и охвата вражеских опорных пунктов, овладевая ими в тесном взаимодействии с танками и артиллерией.
Первыми завершили прорыв главной полосы обороны 25-й танковый корпус (командир генерал П. П. Павлов) и 4-й гвардейский стрелковый корпус (командир генерал Н. А. Гаген). В образовавшуюся брешь устремились 17-й и 18-й (командир генерал Б. С. Бахаров) танковые корпуса, расширяя прорыв в сторону флангов. Противник был вынужден начать отход на армейский рубеж, подготовленный по р. Богучарка. К вечеру танковые корпуса и дивизии 4-го гвардейского стрелкового корпуса продвинулись на 20–25 км, завершили прорыв тактической зоны обороны и попытались с ходу прорвать армейский рубеж. Однако неприятель, заблаговременно подтянув резервы, сумел отразить их попытку с ходу прорвать подготовленную оборону.
Перед наступающими войсками стала задача не дать противнику возможности организованно отойти, подтянуть резервы и закрепиться на тыловом оборонительном рубеже. Поэтому командующие фронтами потребовали более решительных действий, ускорения продвижения. Выполняя эти требования, командующие 6-й и 1-й гвардейской армий принимают решение о продолжении наступления ночью, чтобы в кратчайший срок завершить прорыв оперативной обороны на всю ее глубину.
В ночь на 18 декабря 25-й танковый корпус во взаимодействии с 41-й гвардейской стрелковой дивизией сумел сломить сопротивление войск противника на р. Богучарка, форсировал ее и продвинулся почти на 10 км в южном направлении. Прорыв корпуса создал угрозу тылам всей оборонявшейся здесь итало-немецкой группировки. Для закрытия бреши командующий 8-й итальянской армией выдвинул из состава Альпийского корпуса 3-ю итальянскую горнострелковую дивизию «Юлия», 27-ю немецкую танковую дивизию и часть сил 387-й немецкой пехотной дивизии. С утра 18 декабря советские войска завязали упорные бои с этой группировкой. В течение дня они отразили несколько сильных контратак. Надо отметить роль реактивной артиллерии при отражении этих контратак. Залпы «Катюш» наносили урон войскам противника, нарушали управление ими, вносили дезорганизацию в действия войск. Да и просто чисто психологическое воздействие реактивных снарядов на оборонявшиеся или контратакующие войска. Противник, несший большие потери, не выдержал удара советских войск. Атакованный стрелковыми соединениями с фронта, а танковыми корпусами с флангов и тыла, он оставил армейский рубеж обороны и начал отходить на юг и юго-запад. В итоге его оборона на богучарском направлении была прорвана.